DE19518704C2

DE19518704C2 - Piezoelectric crystal element made of gallium orthophosphate

Info

Publication number: DE19518704C2
Application number: DE19518704A
Authority: DE
Inventors: Karl Christian Dr Wagner; Clemens Dr Ruppel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-05-22
Filing date: 1995-05-22
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2015-05-23
Also published as: DE19518704A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Kri stallelement aus Galliumorthophosphat (GaPO₄) nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.The present invention relates to a piezoelectric crystal stall element made of gallium orthophosphate (GaPO₄) after Preamble of claims 1 and 2.

Für akustische Oberflächenwellenanordnungen - OFW-Anordnungen -, wie z. B. OFW-Filter, OFW-Verzögerungsleitungen, OFW-Identifizierungsmarken oder OFW-Sensoren, werden piezoelek trische Kristallelemente mit mindestens einer ebenen Fläche verwendet. Auf dieser ebenen Fläche werden akustische Ober flächenwellen mit einer bestimmten Ausbreitungsrichtung ange regt. Die Lage der ebenen Fläche und der Wellenausbreitungs richtung bezüglich der Kristallachsen, d. h. die sogenannte Kristallschnittrichtung, werden durch drei Euler-Winkel λ, µ und Θ beschrieben.For surface acoustic wave arrangements - SAW arrangements -, such as B. SAW filter, SAW delay lines, SAW identification marks or SAW sensors, are piezoelek trical crystal elements with at least one flat surface used. On this flat surface there are acoustic surfaces surface waves with a certain direction of propagation stimulates. The location of the flat surface and the wave propagation direction with respect to the crystal axes, d. H. the so-called Crystal cut direction are determined by three Euler angles λ, µ and Θ described.

Für die Gesamtheit der Ausführungsformen von OFW-Anordnungen ist für den benutzten Kristallschnitt ein möglichst hoher elektroakustischer Kopplungsfaktor der Oberflächenwelle gün stig.For the entirety of the embodiments of SAW arrangements is as high as possible for the crystal cut used electro-acoustic coupling factor of the surface wave gün stig.

Für OFW-Temperatursensoren sind Kristallschnitte erforder lich, die sich durch einen hohen elektroakustischen Kopp lungsfaktor und gleichzeitig einen möglichst hohen Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit auszeichnen.Crystal cuts are required for SAW temperature sensors Lich, which is characterized by a high electro-acoustic coupling factor and at the same time the highest possible amount of Mark the temperature coefficient of the delay time.

Aus der dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 zugrunde liegenden EP-Patentanmeldung 0 614 271 ist ein piezoelektrisches Kristallelement aus GaPO₄ für OFW-Anordnun gen mit mindestens einer ebenen Fläche bekannt, die durch die Euler-Winkel λ im Bereich von 0°, µ im Bereich von 40° bis 75°, vorzugsweise 50° bis 60° und Θ im Bereich von 0° bzw. λ im Bereich von 0°, µ im Bereich von 90° bis 130° und Θ im Bereich von 0° bestimmt ist.Based on the preamble of claims 1 and 2 lying EP patent application 0 614 271 is a piezoelectric crystal element made of GaPO₄ for SAW arrangement known with at least one flat surface, which by the Euler angle λ in the range from 0 °, µ in the range from 40 ° to 75 °, preferably 50 ° to 60 ° and Θ in the range of 0 ° or λ in the range of 0 °, µ in the range of 90 ° to 130 ° and Θ in Range of 0 ° is determined.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kristallelemente aus GaPO₄ Kristallschnitte bzw. Euler-Winkel anzugeben, die gleichzeitig einen optimalen elektroakusti schen Kopplungsfaktor sowie einen optimalen Betrag des Tempe raturkoeffizienten der Verzögerungszeit besitzen.The present invention has for its object Crystal elements from GaPO₄ crystal sections or Euler angles specify that at the same time an optimal electroacoustic coupling factor and an optimal amount of tempe rature coefficients of the delay time.

Diese Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Kristallele ment der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die Merk male des kennzeichnenden Teils der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.This task is done with a piezoelectric crystal ment of the generic type according to the invention by the Merk male of the characterizing part of claims 1 and 2 solved.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüche.Further refinements of the invention are the subject of Subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The invention is described below with the aid of embodiments explained in more detail according to the figures of the drawing. It shows:

Fig. 1 ein Koordinatendiagramm zur Erläuterung von Euler winkeln; und Figure 1 is a coordinate diagram for explaining Euler angles. and

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines piezoelektrischen Kristallelementes mit einem Kristallschnitt gemäß den erfindungsgemäßen Euler-Winkeln. Fig. 2 is a schematic representation of a piezoelectric crystal element with a crystal section according to the Euler angles according to the invention.

Gemäß dem Koordinatendiagramm nach Fig. 1 wird ein dreidi mensionales Koordinatensystem X, Y, Z durch Drehung um Euler winkel λ, µ und Θ in ein Koordinatensystem transformiert, das den gewünschten Kristallschnitt für eine ebene Oberfläche eines piezoelektrischen Kristallelementes definiert. Die Transformation erfolgt dabei so, daß zunächst die XY-Ebene um den Winkel λ um die Z-Achse gedreht wird, woraus das System x′₁, x′₂ und x′₃ gleich Z entsteht. Sodann wird die x′₂, x′₃- Ebene um den Winkel µ um die x′₁-Achse gedreht, woraus das System x′′₁ gleich x′₁, x′′₂ und x′′₃ entsteht. Schließlich wird die x′′₁, x′′₂-Ebene um den Winkel Θ um die x′′₃-Achse gedreht, woraus das gewünschte Koordinatensystem x₁, x₂ und x₃ (= x′′₃) entsteht.According to the coordinate diagram of Fig. 1, a dreidi dimensional coordinate system X, Y, Z will by rotation about Euler angles λ, μ and Θ transformed into a coordinate system that defines the desired crystal cut for a flat surface of a piezoelectric crystal element. The transformation takes place in such a way that first the XY plane is rotated by the angle λ around the Z axis, from which the system x'₁, x'₂ and x'₃ equal to Z arises. Then the x'₂, x'₃- plane is rotated by the angle µ about the x'₁ axis, from which the system x''₁ is equal to x'₁, x''₂ and x''₃. Finally, the x''₁, x''₂ plane is rotated by the angle Θ about the x''₃ axis, which results in the desired coordinate system x₁, x₂ and x₃ (= x''₃).

Fig. 2 zeigt schematisch ein Kristallelement 1 mit einer ebenen Fläche 2, in der sich eine akustische Oberflächenwelle in x₁-Richtung ausbreitet. Die übrigen Koordinatenrichtungen sind die x₂- und x₃-Richtungen. Dabei steht x₂ in der Fläche 2 liegend senkrecht auf x₁ und x₃ senkrecht auf der Fläche 2. Fig. 2 shows schematically a crystal element 1 with a flat surface 2 , in which an acoustic surface wave propagates in the x₁ direction. The other coordinate directions are the x₂ and x₃ directions. Here, x₂ is in the area 2 lying perpendicular to x₁ and x₃ in the area 2 .

Gemäß einer ersten Lösungsvariante der der Erfindung zugrun deliegenden Aufgabe ist ein piezoelektrisches Kristallelement aus GaPO₄ vorgesehen, das durch einen Kristallschnitt gebil det wird, der die Euler-Winkel λ im Bereich von 0°, µ im Be reich von 125° bis 160° und Θ im Bereich von 15° bis 35° oder 145° bis 165° besitzt.According to a first solution variant of the invention The task at hand is a piezoelectric crystal element made of GaPO₄ provided by a crystal cut det, the Euler angle λ in the range of 0 °, µ in the Be range from 125 ° to 160 ° and Θ in the range from 15 ° to 35 ° or 145 ° to 165 °.

In einer solchen OFW-Anordnung können akustische Oberflächen wellen besonders effektiv angeregt werden, da bei den vorste hend angegebenen Kristallschnitten der elektroakustische Kopplungsfaktor sehr groß ist. Außerdem ist der Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit so groß, daß das Kristallelement in der Sensorik als Temperatursensor verwend bar ist. Sind gemäß einer besonderen Ausführungsform die Eu ler-Winkel λ = 0°, µ = 140,5° und Θ = 22°, so ergibt sich ein elektroakustischer Kopplungsfaktor von 0,46%, ein Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von -18,4 ppm und eine Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflä chenwelle von 2535 m/s.In such an SAW arrangement, acoustic surfaces waves are stimulated particularly effectively, since the first given crystal sections of the electroacoustic Coupling factor is very large. In addition, the amount of Temperature coefficient of the delay time so large that the Crystal element used in sensors as a temperature sensor is cash. According to a special embodiment, the Eu ler angle λ = 0 °, µ = 140.5 ° and Θ = 22 °, we get an electro-acoustic coupling factor of 0.46%, an amount the temperature coefficient of the delay time of -18.4 ppm and a phase velocity of the acoustic surface speed of 2535 m / s.

Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante ist ein piezoelektri sches Kristallelement GaPO₄ auf einem Kristallschnitt aufge baut, der die Euler-Winkel λ im Bereich von 30°, µ im Bereich von 80° bis 100° und Θ im Bereich von 0° besitzt. Ein derar tiges Kristallelement besitzt ähnliche Eigenschaften wie der Kristallschnitt mit λ = 0°, µ = 140° und Θ = 22°. Es ergibt sich ein elektroakustischer Kopplungsfaktor von 0,40%, ein Betrag des Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit von -11,0 ppm und eine Phasengeschwindigkeit von 2309 m/s. Bei kleinerer Phasengeschwindigkeit gegenüber der erstgenannten Lösungsvariante ist der Kristall leichter zu orientieren und zeichnet sich vor allem durch sehr geringe Empfindlichkeit seiner Eigenschaften bei Änderung der Schnittwinkel aus.According to a second embodiment variant is a piezoelectric cal crystal element GaPO₄ on a crystal cut builds the Euler angle λ in the range of 30 °, µ in the range from 80 ° to 100 ° and Θ in the range from 0 °. A derar The crystal element has similar properties to that Crystal section with λ = 0 °, µ = 140 ° and Θ = 22 °. It results an electroacoustic coupling factor of 0.40% Amount of the temperature coefficient of the delay time from -11.0 ppm and a phase velocity of 2309 m / s. At lower phase velocity compared to the former Solution variant, the crystal is easier to orient and is particularly characterized by very low sensitivity its properties when changing the cutting angle.

Aufgrund der Kristallsymmetrie treten zum Kristallschnitt mit Euler-Winkeln λ₀, µ₀, Θ₀ äquivalente Kristallschnitte
λ₀, µ₀, Θ₀ +/- 180°
λ₀ +/- 180°, µ₀ +/- 180°, Θ₀ +/- 180° mit entweder nur posi tiven oder nur negativen Vorzeichen
λ₀ +/- 120°, µ₀, Θ₀
λ₀ +/- 60°, 180° - µ₀, Θ₀ auf.Due to the crystal symmetry, crystal cuts with Euler angles λ₀, µ₀, Θ₀ are equivalent to crystal cuts
λ₀, µ₀, Θ₀ +/- 180 °
λ₀ +/- 180 °, µ₀ +/- 180 °, Θ₀ +/- 180 ° with either only positive or only negative signs
λ₀ +/- 120 °, µ₀, Θ₀
λ₀ +/- 60 °, 180 ° - µ₀, Θ₀ on.

Claims

1. Piezoelectric crystal element made of gallium orthophosphate - GaPO₄ - with at least one essentially flat surface surface which carries acoustic waves ( 2 ) for SAW arrangements, in particular temperature sensors, characterized in that the surface ( 2 ) by Euler angle λ in the range from 0 °, µ is defined in the range from 125 ° to 160 ° and Θ in the range from 15 ° to 35 ° or 145 ° to 165 °.

2. Piezoelectric crystal element made of gallium orthophosphate GaPO₄ - with at least one essentially flat acoustic surface wave guiding surface ( 2 ) for SAW arrangements, characterized in that the surface ( 2 ) by the Euler angle λ in the range of 30 °, µ is defined in the range from 80 ° to 100 ° and Θ in the range from 0 °.

3. Piezoelectric crystal element according to claim 1, characterized, that the Euler angles λ = 0 °, µ = 140.5 ° and Θ = 22 °.

4. Piezoelectric crystal element according to one of the claims 1 to 3, characterized, that the Euler angles = λ, µ, Θ +/- 180 °.

5. Piezoelectric crystal element according to one of the claims 1 to 3, characterized, that the Euler angle = λ +/- 180 °, µ +/- 180 °, Θ +/- 180 ° with only positive or only negative signs.

6. Piezoelectric crystal element according to one of the claims 1 to 3, characterized, that the Euler angles = λ +/- 120 °, µ, Θ.

7. Piezoelectric crystal element according to one of the claims 1 to 3, characterized, that the Euler angles = λ +/- 60 °, 180 ° - µ, Θ.